220 t燃煤鍋爐脫硝超凈排放調(diào)試問題分析與改造實踐

陳 健，黃志偉，吳 銘

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司熱電總廠，安徽馬鞍山 243000）

1 概述

某電廠鍋爐是上海鍋爐廠生產(chǎn)的220 t/h 單汽包自然循環(huán)煤粉爐，鋼制構(gòu)架，呈倒U 形布置。其NOx 排放濃度為350～850 mg/m3，平均排放濃度為600 mg/m3，經(jīng)低氮燃燒改造后為450 mg/m3（6%O2），爐膛出口NOx濃度經(jīng)低氮燃燒器可控制在450 mg/m3（6%O2）以下，再經(jīng)SCR 脫硝后，NOx 濃度可降至100 mg/m3（6%O2）以下達標排放。

此次脫硝超凈排改造在原脫硝設(shè)施基礎(chǔ)上進行改造，原有脫硝系統(tǒng)采用一爐一個反應(yīng)器，每爐分別設(shè)置尿素熱解系統(tǒng)、尿素溶液計量分配系統(tǒng)、氨噴射系統(tǒng)、煙道、催化劑、吹灰系統(tǒng)等，公用系統(tǒng)主要包括還原劑儲存及制備系統(tǒng)及氣源、水源等引接系統(tǒng)。由于原SCR 反應(yīng)器采用2 層布置，未設(shè)置備用層，因此此次改造仍沿用2層布置，對反應(yīng)器尺寸進行擴容，增加催化劑面積，降低煙氣流速，同時對噴氨格柵進行優(yōu)化。

2 SCR脫硝基本原理

選擇性催化還原法脫硝技術(shù)，簡稱SCR 脫硝技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)鍋爐和電站鍋爐煙氣脫硝的工藝，是能夠達到嚴格氮氧化物指標排放標準的高效可行的實用脫硝技術(shù)，也是目前國際上應(yīng)用最廣、成效最大的脫硝技術(shù)之一。其主要化學反應(yīng)如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

其反應(yīng)產(chǎn)物為對環(huán)境無害的水和氮氣，但只有在800 ℃以上的條件下才具備足夠的反應(yīng)速度，工業(yè)應(yīng)用時須安裝相關(guān)反應(yīng)的催化劑，在催化劑的作用下其反應(yīng)溫度降至400 ℃左右，鍋爐省煤器后溫度正好處于這一范圍內(nèi)，這為鍋爐脫硝提供了有利條件。

SCR（脫硝系統(tǒng)）催化劑的工作溫度是有一定范圍的，溫度過高（＞450 ℃）時催化劑會加速老化；當溫度在300 ℃左右時，在同一催化劑的作用下，另一副反應(yīng)也會發(fā)生。

2SO2+O2→2SO3

NH3+H2O+SO3→NH4HSO4

即生成氨鹽，該物質(zhì)粘性大，易粘結(jié)在催化劑和鍋爐尾部的受熱面上，影響鍋爐運行。因此，只有在催化劑環(huán)境的煙氣溫度在305～425 ℃之間時方允許噴射氨氣進行脫硝。

3 運行調(diào)試與分析

2019 年年初，電廠3 臺220 t/h 摻燒煤氣燃煤鍋爐完成脫硝超凈排放改造后，相繼投入調(diào)試運行，現(xiàn)對調(diào)試運行情況進行分析：

3.1 鍋爐負荷與氧量控制

在保證其他工況基本不變的前提下，進行負荷與氧量調(diào)整，分析氮氧化物指標變化情況,如表1。

表1 不同負荷下氧量控制與氮氧化物指標

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)分析可以看出，同等負荷下，氧量越高，入口NOx 濃度越大；同等氧量下，負荷越低，入口NOx濃度越大。100%負荷及90%～100%負荷工況下，脫硝效率最高的氧量控制為2%～3%，其次是3%～4%，結(jié)合鍋爐經(jīng)濟運行指標控制要求，最佳脫硝氧量控制點不一定是鍋爐運行氧量最佳控制點，例如氧量過低造成飛灰含碳量過高，能耗增加。

鍋爐最佳氧量控制點即要保證脫硝不超標，又要保證其它經(jīng)濟指標的正常，因此綜合考慮后選擇3%～4%作為鍋爐運行最佳氧量控制點。注：表1數(shù)據(jù)來源于無煤氣摻燒的工況。

3.2 煤氣摻燒

該電廠燃煤鍋爐具備摻燒20%煤氣，因此煤氣是否摻燒對鍋爐負荷、氧量以及脫硝效率皆有影響，具體如表2。

表2 不同負荷下煤氣摻燒、氧量控制與氮氧化物指標

從表2可以看出，在同等煤氣摻燒量工況下，負荷越低，入口NOx 濃度越高；同等負荷工況下，煤氣摻燒量越多，入口NOx 濃度越低。在100%負荷工況下，脫硝最佳氧量控制點為2%～3%；在90%～100%負荷工況下，脫硝最佳氧量控制點在摻燒煤氣1～2 萬m3/h 時為2%～3%，在2～3 萬m3/h 時為3%～4%；在80%～90%負荷工況下，脫硝最佳氧量控制點在摻燒煤氣1～2萬m3/h時為3%～4%。

從表1 與表2 對比可以看出，對于同等負荷工況下，隨著煤氣的摻燒，入口NOx 濃度呈下降趨勢，因此摻燒煤氣有助于降低入口氮氧化物指標。

從表3可以看出，隨著煤氣摻燒的增加，爐膛溫度下降，這是由于煤粉爐摻燒的煤氣未經(jīng)過預熱，煤氣溫度較低（約45 ℃），進入鍋爐爐膛后吸收部分熱量進行加熱燃燒，降低了爐膛溫度，從而降低氮氧化物的生成量。

表3 負荷、煤氣摻燒與爐膛溫度

綜上，最佳脫硝氧量控制點隨鍋爐負荷降低而提高，隨煤氣摻燒量增加而提高（如圖1），且脫硝最佳煤氣摻燒量為2～3萬m3/h。

圖1 煤氣摻燒下脫硝最佳氧量控制

3.3 制粉系統(tǒng)啟停

由于脫硝超凈排指標要求控制在50 mg/m3以內(nèi)，可調(diào)控范圍小，因此鍋爐運行工況的變化對脫硝變化影響較大。在調(diào)試過程中，我們發(fā)現(xiàn)制粉系統(tǒng)停運對氮氧化物指標有較大影響（如圖2）。

從圖1中可以明顯看出，在制粉系統(tǒng)停運（甲磨停運）一直到啟動過程中，氮氧化物指標明顯大幅度增加。針對此種現(xiàn)象，我們通過分析氧量、負荷、一次風速等參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，負荷無明顯變化，氧量提高0.5%，一次風速由27 m/s 增加至30 m/s，其它工況無變化。因此，我們判斷制粉系統(tǒng)停運后一次風阻力消失，一次風速增加，造成氧量提高，煙氣擾動大，從而影響脫硝效率。

圖2 制粉停運對氮氧化物指標影響

對此判斷，我們進行了驗證：在其它參數(shù)不變情況下，停運制粉系統(tǒng)過程中，緩慢減少給煤量至零，緩慢進行制粉系統(tǒng)風門調(diào)整，期間控制一次風速穩(wěn)定在25 m/s。在此操作下，使得氮氧化物指標得到有效控制（如圖3）。

圖3 制粉停運對氮氧化物指標影響（控制一次風速）

因此，我們得出結(jié)論：停運制粉系統(tǒng)要控制一次風速穩(wěn)定，降低風速至25 m/s，減少風速變化對煙氣的擾動，從而影響脫硝氮氧化物指標超標。

4 問題與處理

在調(diào)試運行中，我們發(fā)現(xiàn)了幾個脫硝超凈排放改造過程中存在的問題，如下：

4.1 脫硝出口CEMS數(shù)據(jù)異常

在脫硝超凈排運行一段時間后，我們發(fā)現(xiàn)脫硝出口氮氧化物指標數(shù)據(jù)異常偏小，如圖4所示。

圖4 脫硝出口數(shù)據(jù)異常

從圖4 中可以看出，氮氧化物指標最大不超過11 mg/m3，與前期調(diào)試運行數(shù)據(jù)存在較大偏差，且基本不隨尿素溶液流量變化而變化。

針對此問題，經(jīng)過分析與討論后判斷為脫硝出口CEMS取樣口堵塞引起，立即安排吹灰，吹灰后數(shù)據(jù)恢復正常，但過段時間又頻繁發(fā)生此問題。對此，我們安排將取樣管件拆解后發(fā)現(xiàn)，造成CMES出口頻繁堵塞的原因系取樣管件方向裝反，原安裝方向為取樣口斜口朝上，正對煙氣流動方向，煙氣中大量飛灰堵塞取樣口，現(xiàn)將取樣管件旋轉(zhuǎn)180°角后，取樣口斜口朝下，順著煙氣流向，僅靠CEMS 系統(tǒng)抽取部分煙氣，取樣口不再頻繁被煙氣中飛灰堵塞（見圖5），此問題得到解決。

圖5 CEMS取樣管安裝方向

4.2 脫硝熱解爐結(jié)晶堵塞

在脫硝超凈排調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)1#爐熱解爐爐內(nèi)溫度由440 ℃逐漸降至400 ℃，熱解爐出口溫度降至350 ℃以下，熱解爐內(nèi)外壓差由1.2 kPa 增加至4.2 kPa，判斷為熱解爐堵塞，申請停爐處理后恢復正常。

后1#爐、3#爐又相繼出現(xiàn)熱解爐堵塞現(xiàn)象，僅2#爐熱解爐未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。針對此異常狀況，我們通過分析后發(fā)現(xiàn)，1#、2#、3#爐公用一套尿素制備系統(tǒng)，尿素溶液成份基本一致，熱解爐電加熱器開度基本維持在90%負荷，而現(xiàn)場熱解爐因脫硝超凈排改造需要進行過管道移位，因此判斷此是要因。通過現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)1#、3#爐熱風進入熱解爐的管道存在多道彎頭，而2#爐則基本垂直。

對此我們通過查閱相關(guān)文獻并分析后發(fā)現(xiàn)，熱風經(jīng)過彎頭后壓力、流速發(fā)生變化，彎管內(nèi)壁流速增加外壁流速降低，出彎頭前在二次流作用下內(nèi)壁流速開始降低而外壁流速開始增加，在彎頭出口處內(nèi)壁出現(xiàn)渦流，外壁存在高速流體，從而形成快慢分離區(qū)，當彎頭后直管長度U 與管徑d之比達到U/d=10 時[1]，二次流消失，管道內(nèi)流速恢復均勻。而現(xiàn)場彎頭后連接熱解爐的直管長度僅500 mm，U/d=2.5，此時二次流雖然減弱，但仍存在快慢分離區(qū)，因此進入熱解爐的熱風仍處于流速分布不均狀態(tài)，從而影響尿素溶液熱解效果，造成局部尿素未及時分解，引起熱解爐結(jié)晶,見圖6。因此我們從兩個方向進行調(diào)整：

圖6 氣體彎頭內(nèi)部流速變化

(1)進行熱解爐移位改造，減少進熱解爐熱風管道彎頭，使得其最近一個彎頭距離熱解爐距離超3 m，消除彎頭影響；

(2)對脫硝指標控制進行調(diào)整，將熱解爐出口風溫控制由原先的350 ℃提高至360 ℃以上，并要求增加尿素溶液前優(yōu)先提高熱解爐出口管道溫度。

5 結(jié)論

通過調(diào)試分析與實踐后，得出以下結(jié)論：

(1)在鍋爐運行煙氣含氧量精準控制在3%～4%。

(2)脫硝最佳煤氣配合摻燒量為2～3萬m3/h。

(3)制粉系統(tǒng)啟停優(yōu)化：停運制粉系統(tǒng)要控制一次風速穩(wěn)定，降低風速至25 m/s。

(4)將熱解爐出口風溫控制由原先的350 ℃提高至360 ℃以上，增加尿素溶液前優(yōu)先提高熱解爐出口管道溫度。

(5)減少進熱解爐熱風管道彎頭數(shù)量，消除彎頭對熱風分布影響。

通過上述操作，3 臺燃煤鍋爐皆完成脫硝超凈排放調(diào)試運行，氮氧化物排放指標達到國家規(guī)定的50 mg/m3以內(nèi)。